Ниобий металл или неметалл. Ниобий — свойства, применение и сплавы ниобия. Распространенность в природе и подготовка

Ниобий (Nb) является редким, мягким, переходным металлом, используемым в производстве стали высокого качества. Ниобий - компанент для получения сплавов, который будучи добавленным к другим материалам заметно улучшает их свойства. У стали, содержащей ниобий, есть много привлекательных свойств, делающих ее очень желательной для использования в автомобильной, строительной промышленности и при строительстве газопроводов. Сталь с добавлением ниобия обладает большей твердостю, легче и более устойчива к коррозии.

Использование ниобия началось в 1925 году, когда металл стал применяться для замены вольфрама в призводстве инструментальных сталей. К 1930-ым годам ниобий использовался, чтобы предотвратить коррозию в нержавеющей стали. Эта область применения ниобия стала одной из основных в процессе развития современных технических материалов, а его использование устойчиво увеличивалось в металлургической области.
Ниобий в форме стандартного феррониобия, на долю которого приходится более чем 90% производства ниобия, является переходным металлом, членом группы Ванадиевых элементов. Он характеризуется высокими точками плавления и кипения. Несмотря на высокую точку плавления в элементной форме (2,468 °C), у ниобия низкая плотность по сравнению с другими коррозионностойкими металлами. Кроме того, ниобий при определенных условиях обладает свойствами сверхпроводимости. По химическим свойствам ниобий очень подобен танталу.
Месторождения ниобия находятся, в основном, в Бразилии и Канаде, которые составляют приблизительно 99% полного производства ниобия в мире, а также в Австралии. Геологическая служба США оценивает мировые запасы ниобия на уровне 4,3 млн тонн по содержанию металла.
В природе ниобий находится в таких минералах, как пирохлор и колумбит, которые содержат ниобий и тантал в переменных пропорциях. Минерал пирохлор добывается прежде всего ради ниобия. Колумбит добывается ради извлечения тантала, а ниобий извлекается как побочный продукт. Roskill оценивает, что приблизительно 97% ниобия находятся в минерале пирохлор.

Запасы на месторождениях ниобия в 2012 году, тыс.тонн *

* данные US Geological Survey

Руды, содержащие пирохлор, добываются с использованием двух основных методов - в изоляции или как комбинация. Открытые разработки - распространенный метод в Бразилии, в то время как подземные горные разработки используются в шахте Niobec в Канаде. Вместе с тем, на шахте Niobec в Канаде планируется использовать два метода массовой разработки недр - открытый и подземный, поскольку у них есть потенциал, чтобы значительно увеличить мощность предприятия и объемы добычи, одновременно понижая эксплуатационные расходы.
После того, как руда добыта, ее дробят на мелкие частицы и обогащают методом флотации и магнитного разделения для того, чтобы удалить железо. В Канаде для того, чтобы удалить апатит, используется азотная кислота, а в Бразилии используется специальный процесс, чтобы удалить барий, фосфор и серу. Результат этой физической обработки - концентрат пирохлора с содержанием Nb2O5 на уровне 55-60%. Большая часть концентрата пирохлора перерабатывается в феррониобий стандартного сорта для использования в областях промышленности, где допускаются примеси. Для областей применения, требующих более высоких уровней чистоты, требуется последующая обработка, чтобы привести ниобий к уровню чистоты ~99%, таким, например, как уровни чистоты окиси ниобия или феррониобия вакуумного сорта.

* данные US Geological Survey

Мировой спрос на ниобий рос в среднем ежегодно на 10% в период с 2000 по 2010 год. Рост стимулировали два ключевых фактора:
1. Стабильный спрос на сталь, особенно среди производителей стали из стран БРИКС. Спрос в этих странах вырос на 14% в 2010 году до 1,414 млн тонн и, согласно оценкам, повысился еще на 4% в 2011 году.
Следует отметить, что автомобильная промышленность, строительство и нефтегазовый сектор, которые являются крупнейшими потребителями феррониобия, имеют тенденцию быть чрезвычайно коррелированными к экономическому росту, и состояние мировой экономики оказывает самое большое влияние на спрос на ниобий.
Сильный рост ВВП стран БРИКС требует больше стали и, соответственно, определяет более высокий спрос на ниобий в производстве стали. Мировой ВВП увеличился на 5,1% в 2010 году, в основном из-за высоких показателей развития экономик стран БРИК, которые выросли на 8,8% в 2010 году, особенно Китай, который вырос на 10,3%. Рост ВВП в странах БРИКС в 2011 и 2012 годах также был высоким: 4-10% на фоне мирового экономического роста ~3-4%. В прошедшее десятилетие страны БРИКС определяли глобальный экономический пейзаж, составляя более чем одну треть роста мирового ВВП и, в пересчете на покупательную способность, экономики данных стран выросли от одной шестой мировой экономики до почти четверти.
Голдман Сакс прогнозирует, что объем экономики стран БРИКС, как совокупность, превысит объем американской экономики уже к 2018 году. К 2020, на страны БРИКС, как ожидают, будет приходится приблизительно 49,0% роста мирового ВВП и эти страны будут составлять одну треть мировой экономики, основанной на покупательной способности.
Положительные глобальные экономические перспективы - подтверждение сильного мирового промышленного спроса, который служит хорошим предзнаменованием для стального сектора. Полный глобальный рост в производстве стали продолжит значительно влиять на спрос на ниобий.
2. Рост количества ниобия, используемого для производства стали.
Когда требования конечных потребителей стали в части обеспечения более высокого качества продуктов растут, сталелитейные заводы должны увеличивать использование ниобия, чтобы произвести сталь, соответствующую более высоким стандартам и техническим требованиям. В 2000 году на 1 тонну стали добавлялось 40 граммов феррониобия. В 2008 году это были уже 63 грамма на тонну. Учитывая, что ниобий представляет очень небольшой процент в стали в плане стоимости, но добавляет существенную ценность, улучшая ее особенности, особенно прочность, долговечность, легкость и гибкость, ожидается, что использование данного металла продолжит увеличиваться во всех сегментах конечного потребления.
Устойчивый рост спроса на ниобий, как ожидают, сохранится в кратко- и долгосрочной перспективе, в то время как возникающие рынки продолжают расти, и приложения на более высокие качественные стали уже разработаны.
С учетом растущего производства стали и увеличивающегося процента содержания в ней ниобия, согласно оценкам, мировое потребление феррониобия увеличилось на ~11% с ~78 100 т в 2010 году до ~86 000 т в 2011 году.
Крупнейшие потребители ниобия - Китай, Северная Америка и Европа. Китай - наиболее быстро растущий рынок в мире для ниобия, составлял 25% полного потребления в 2010 году. Это отражает размер его сталелитейной промышленности и быстрый темп роста производства в последние годы. Китай - ведущий в мире производитель нержавеющей стали, с долей мирового производства, вросшей от 1-2% в 1990-ых годах до 36,7% в 2010 году. Китай - также крупнейший и быстро растущий производитель легированных сталей, включая стали HSLA.

Производство и потребление ниобия в мире, тыс.тонн*

год	2008	2009	2010	2011	2012
Всего производство	67.9	40.6	59.4	65.7	62.9
Всего потребление	58.1	40.6	48.9	61.5	62.9
Баланс рынка	9.8	--	9.4	-0.4	-0.4

* данные Tantalum-Niobium International Study Center

В начале 2000-ых годов цены на ниобий оставались относительно стабильными в диапазоне от 12,00 US$ до US$13,50 за киллограм. Существенный экономический рост развивающихся рынков, особенно экономических систем БРИК и увеличение использования ниобия в производстве стали дали толчок к росту цен на металл до US$32,63 за кг в 2007 году и к дальнейшему росту цен до US$60,00 за килограмм в 2012 году. Только в 2008 и 2009 годах цены на ниобий на фоне мирового экономического кризиса немного снизились. Однако данное снижение было намного меньшим, нежели у металлов - заменителей.
С потребительской точки зрения устойчивая цена на ниобий - желательная особенность, поскольку это позволяет лучше предсказывать и соответственно планировать стоимость. Кроме того, конечные потребители подчеркивают важность сорсинга ниобия от многократных поставщиков, чтобы минимизировать разрушения системы поставок и избежать сверхуверенности в одном производителе.
Ключевая замена для ниобия - феррованадий, рынок которого в основном пришел в себя после краха, испытанного во время финансового кризиса. Однако, сравнительно более высокая цена феррованадия и значительно более высокая изменчивость способствовали его замене феррониобий, у которого есть более предсказуемая ценовая история.
Учитывая высокую ценность, добавленную от использования ниобия в процессе изготовления стали (то есть дополнительная прочность, долговечность, коррозионностойкость, тепловое сопротивление, уменьшение веса) и относительно небольшой доле в общей стоимости, со стороны покупателей металла спрос довольно неэлатичный. Как пример, считается, что ниобий составляет Кроме того, ниобий - добавка к сплавам высокой ценности, которые используются в технических сферах (компоненты реактивного двигателя, медицинское оборудование, тяжелое машиностроение), где приверженность техническим требованиям и превосходящей работе - потребность. В результате доля использования ниобия в производстве стали повысилась. Эта тенденция, как ожидают, продолжится в будущем.
Учитывая отсутствие активных продаж на свободном рынке и, как следствие, отсутствие конкурентной цены, немногие аналитики-исследователи делают предсказания о будущих ценах на ниобий, а тех, кто делает такие предсказания, ведут себя скорее консервативно. Несмотря на эти факторы, ниобий, как ожидают, будет востребован в ближайшем времени, а цены на металл останутся на высоком уровне. Некоторые аналитики ожидают дальнейший рост цен на ниобий в следующие два - три года, что основано на потребительских взаимодействиях и будущих потребностях.

Строительство, автомобильные и нефтегазовые сектора, как ожидают, продолжат составлять самый большой процент потребления ниобия. На эти сектора оказал негативное воздействие финансовый кризис 2008 года, но в последующие годы они пришли в себя и, как предсказывают, будут расти с устойчивой скоростью.

Химический элемент, названный в честь античной Ниобы - женщины, осмелившейся смеяться над богами и поплатившейся за это смертью своих детей. Ниобий олицетворяет переход человечества от промышленного производства к цифровому; от паровых локомотивов к ракетным носителям; от угольных теплостанций к ядерной энергетике. В мире цена ниобия за грамм достаточно высока, также как и спрос на него. Большинство последних достижений науки тесно связаны с использованием этого металла.

Цена на ниобий за грамм

Так как основные способы использования ниобия связаны с ядерной и космической программами, его относят к группе стратегических материалов. Переработка намного выгоднее в финансовом плане, чем освоение и добыча новых руд, что делает ниобий востребованным на рынке вторичного металла.

Значение цены на него определяется несколькими факторами:

Чистота металла. Чем больше посторонних примесей, тем ниже цена.
Форма поставки.
Объем поставки. Прямо пропорционален ценам на металл.
Местонахождение пункта приема лома. Каждый регион имеет различную потребность в ниобии и, соответственно, цена на него.
Наличие в составе редких металлов. Сплавы, содержащие такие элементы как тантал, вольфрам, молибден, выше в цене.
Значение котировок на мировых биржах. Именно эти значения являются базовыми при установке цены.

Ориентировочный обзор по ценам в Москве:

Ниобий НБ-2. Цена варьируется в пределах 420-450 руб. за кг.
Ниобиевая стружка. 500-510 руб. за кг.
Штабик ниобия НБШ00. Отличается повышенными ценами по причине ничтожного содержания примесей. 490-500 руб. за кг.
Ниобиевый штабик НБШ-0. 450-460 руб. за кг.
Ниобий НБ-1 в виде прутка. Цена составляет 450-480 руб. за кг.

Несмотря на высокую стоимость спрос на ниобий в мире продолжает расти. Происходит это из-за огромных возможностей его в применении и дефицита металла. На 10 тонн земли приходится всего 18 граммов ниобия.

Научное сообщество продолжает работу по поиску и разработке заменителя столь дорогого материала. Но до сих пор конкретного результата в этом не получила. А это значит, что ближайшее время падение ниобия в цене не предвидится.

Для регулирования цены и увеличения скорости товарооборота предусмотрены следующие категории на изделия из ниобия:

Ниобиевые слитки. Их размер и вес нормируется ГОСТом 16099-70. В зависимости от чистоты металла подразделяются на 3 марки: ниобий НБ-1, ниобий НБ-2 и, соответственно, ниобий НБ-3.
Ниобиевый штабик. Отличается более высоким процентом содержания посторонних примесей.
Ниобиевая фольга. Изготавливается толщиной до 0,01 мм.
Ниобиевый пруток. Согласно ТУ 48-4-241-73 поставляется марками НбП1 и НбП2.

Физические свойства ниобия

Металл серого цвета с белым оттенком. Относится к группе тугоплавких сплавов. Температура плавления составляет 2500 ºС. Точка кипения 4927 ºС. Отличается повышенным значением жаростойкости. Не теряет своих свойств при температурах работы свыше 900 ºС.

Механические характеристики также находятся на высоком уровне. Плотность составляет 8570 кг/м3 при аналогичном показателе стали 7850 кг/м3. Устойчив к работе как при динамических нагрузках, так и циклических. Предел прочности на разрыв - 34,2 кг/мм2. Обладает высокой пластичностью. Коэффициент относительного удлинения варьируется пределах 19-21%, что позволяет получать из него листовой прокат ниобия толщиной до 0,1 мм.

Твердость связана с чистотой металла от вредных примесей и повышается с увеличением их в составе. Чистый ниобий имеет 450 единиц шкалы твердости по Бринеллю.

Ниобий хорошо поддается обработке давлением при температурах ниже -30 ºС и плохо резанием.

Теплопроводность существенно не изменяется при больших колебаниях температуры. Например, при 20 ºС она составляет 51,4 вт/ (м К), а при 620 С повышается всего на 4 единицы. Ниобий конкурирует в электропроводности с такими элементами как медь и алюминий. Электросопротивление - 153,2 нОм м. Относится к категории сверхпроводящих материалов. Температура, при которой сплав переходит в режим сверхпроводника, составляет 9,171 К.

Крайне устойчив к воздействию кислой среды. Такие распространённые кислоты как серная, соляная, ортофосфорная, азотная никак не влияют на его химическую структуру.

При температурах свыше 250 ºС ниобий начинает активно окисляться кислородом, а также вступать в химические реакции с молекулами водорода и азота. Данные процессы увеличивают хрупкость металла, тем самым снижая его прочность.

Не относится к аллергенным материалам. Внедренный в тело человека, он не вызывает реакции отторжения организмом.
Является металлом первой группы свариваемости. Сварные швы получаются плотными и не требуют подготовительных операций. Устойчивые к образованию трещин.

Разновидности сплавов

По значению механических свойств в условиях повышенных температур ниобиевые сплавы подразделяются:

Низкопрочные. Работают в пределах 1100-1150 ºС. Обладают простым набором легирующих элементов. В основном сюда относится цирконий , титан, тантал, ванадий , гафний . Прочность составляет 18-24 кг/мм2. После перехода критического температурного порога она резко падает и становится аналогичной чистому ниобию. Основное преимущество - высокие пластичные свойства при температурах до 30 ºС и хорошая обрабатываемость давлением.
Среднепрочные. Их рабочая температура находится в пределах 1200-1250 ºС. Помимо вышеперечисленных легирующих элементов содержат примеси вольфрама, молибдена, тантала. Основное назначение данных добавок - сохранение механических свойств при увеличении температуры. Обладают умеренной пластичностью и хорошо обрабатываются давлением. Ярким примером сплава служит ниобий 5ВМЦ.
Сплавы высокой прочности. Используются при температурах до 1300 ºС. При кратковременном воздействии до 1500 ºС. Отличаются химическим составом более высокой сложности. На 25% состоят из добавок, основная доля которых приходится на вольфрам и молибден. Некоторые виды данных сплавов отличаются повышенным содержанием углерода, что положительно влияет на значение их жаропрочности. Главным недостатком высокопрочного ниобия является низкая пластичность, которая затрудняет проведения технологической обработки. И, соответственно, получению производственных полуфабрикатов.

Следует учесть, что перечисленные выше категории имеют условный характер и дают лишь общее представление о способе применения того или иного сплава.

Также следует упомянуть о таких соединениях как феррониобий и оксид ниобия.

Феррониобий представляет собой соединение ниобия с железом, где содержание последнего находится на уровне 50%. Помимо основных элементов он включает в себя сотые доли титана, серы, фосфора, кремния, углерода. Точное процентное соотношение элементов нормируется ГОСТом 16773-2003.

Пентаксид ниобия - кристаллический порошок белого цвета. Не подвержен растворению в кислоте и воде. Производится методом сжигания ниобия в среде кислорода. Полностью аморфен. Температура плавления 1500 ºС.

Применение ниобия

Все вышеперечисленные свойства делают металл крайне востребованным в разного рода отраслей производства. Среди множества способов его применения выделяют следующие позиции:

Использование в металлурги в виде легирующего элемента. Причем ниобием легируют как черные, так и цветные сплавы. Например, добавление всего 0,02% его в состав нержавеющей стали 12Х18Н10Т увеличивает ее износостойкость на 50%. Улучшенный ниобием (0,04%) алюминий становится полностью невосприимчив к щелочи. На медь ниобий действует как закалка на сталь, увеличивая ее механические свойства на порядок. Отметим, что ниобием легируют даже уран.
Пентооксид ниобия является основным компонентом при изготовлении особо огнеупорной керамики. Также ему нашли применение в оборонной промышленности: бронированные стекла военной техники, оптика с большим углом преломления и прочее.
Феррониобий используется для легирования сталей. Основная его задача - это увеличение коррозионостойкости.
В электротехнике применяют для изготовления конденсаторов и токовыпрямителей. Такие конденсаторы отличаются повышенной емкостью и сопротивлением изоляции, малыми размерами.
Широким применением пользуются соединения кремния и германия с ниобием в области электроники. Из них изготавливают сверхпроводимые соленоиды и элементы генераторов тока.

Тантал и ниобий получают восстановлением из соединений высокой чистоты: оксидов, комплексных фтористых солей, хлоридов. Промышленные способы получения металлов можно подразделить на четыре группы:

Натриетермическое восстановление из комплексных фторидов;

Восстановление из оксидов углеродом (карботермичес - кий способ);

Восстановление из оксидов алюминия (алюминотерми - ческий способ);

Восстановление из хлоридов водородом;

Электролиз расплавленных сред.

В связи с высокой температурой плавления тантал (~3000 С) и ниобия (~2500 С) их получают в результате восстановления всеми перечисленными способами, кроме третьего, в форме порошков или спекшейся губки. Задача получения компактных ковких тантала и ниобия осложняется тем, что эти металлы активно поглощают газы (водород, азот, кислород), примеси которых придают им хрупкость. Поэтому спекать спрессованные из порошков заготовки или плавить их необходимо в высоком вакууме.

Натриетермический способ производства порошков тантала и ниобия

Натриетермическое восстановление комплексных фторидов K2TaF7 и K2NbF7 - первый промышленный способ получения тантала и ниобия. Его применяют и в настоящее время. Для восстановления фтористых соединений тантала и ниобия пригодны натрий, кальций и магний, имеющие высокое сродство к фтору, как видно из приведенных ниже величин:

Эл<^ент Nb Та Na Mg Са

AG298, кДж/г-атом F. . . . -339 -358 -543 -527 -582

Для восстановления используют натрий, так как фторид натрия растворим в воде и может быть отделен отмывкой от порошков тантала и ниобия, тогда как фториды магния и кальция малорастворимы в воде и кислотах.

Рассмотрим процесс на примере получения тантала. Восстановление K2TaF7 натрием протекает с большим выделением тепла (даже при масштабах загрузки шихты до 5 кг), достаточным для самопроизвольного течения процесса. После подогрева шихты в одном месте до 450-500 С реакция быстро распространяется по всей массе шихты, причем температура достигает 800-900 С. Поскольку натрий плавится при 97 С, а кипит при 883 , очевидно, что в восстановлении участвуют жидкий и парообразный натрий:

K2TaF7 + 5NaW = Та + 5NaF + 2KF; K2TaF7 + 5Na(ra3) = Та + 5NaF + 2KF.

Удельные тепловые эффекты реакций (2.18) и (2.19) равны 1980 и 3120кДж/кг шихты соответственно.

Восстановление ведут в стальном тигле, куда послойно загружают фторотанталат калия и кусочки натрия (~120 % от стехиометрически необходимого количества), которые нарезают специальными ножницами. Сверху шихту засыпают слоем хлорида натрия, образующего с KF и NaF легкоплавкую смесь. Солевой расплав защищает от окисления частицы по
рошка тантала. В наиболее простом варианте проведения процесса для возбуждения реакции стенку тигля у дна нагревают пламенем паяльной лампы до появления красного пятна. Реакция быстро протекает по всей массе и заканчивается за 1-2 мин. При таком осуществлении процесса вследствие кратковременной выдержки продуктов при максимальной температуре (800-900 С) получаются тонкодисперсные порошки тантала, которые после отмывки солей содержат до 2 % кислорода.

Более крупнозернистый порошок с меньшим содержанием кислорода получают при помещении реакционного тигля в шахтную электропечь с выдержкой его в печи после окончания реакции при 1000 °С.

Получающийся в результате восстановления тантал вкраплен в виде мелких частиц во фтористо-хлоридном шлаке, содержащем избыточный натрий. После остывания содержимое тигля выбивают, дробят на щековой дробилке и загружают небольшими порциями в реактор с водой, где происходит "гашение" натрия и растворение основной массы солей. Затем порошок последовательно промывают разбавленной неї (для более полной отмывки солей, растворения примеси железа и частично титана). Для понижения содержания оксидов тантала порошок иногда дополнительно отмывают холодной разбавленной плавиковой кислотой. Затем порошок промывают дистиллированной водой, фильтруют и сушат при 110-120 С.

Описанным выше способом с соблюдением примерно тех же режимов получают порошки ниобия восстановлением k2NbF7 натрием. Высушенные порошки ниобия имеют состав, %: Ті, Si, Fe 0,02-0,06; О около 0,5; N до 0,1; С 0,1-0,15.

Карботермический способ получения ниобия и тантала из оксидов

Этот способ был первоначально разработан для производства ниобия из Nb2o5.

Ниобий может быть восстановлен из Nb2os углеродом при 1800-1900 °С в вакуумной печи:

Nb2Os + 5С = 2Nb + SCO. (2.20)

Шихта Nb205 + 5С содержит мало ниобия и даже в брикетированном состоянии имеет низкую плотность (~1,8г/см3). Вместе с тем на 1 кг шихты выделяется большой объем со (~0,34 м3). Эти обстоятельства делают невыгодным проведение процесса по реакции (2.20), так как производительность вакуумной печи при этом низкая. Поэтому процесс проводят в две стадии:

І стадия - получение карбида ниобия

Nb203 + 1С = 2NbC + 5CO; (2.2l)

П стадия - получение ниобия в вакуумных печах

Nb2Os + 5NbC = 7Nb + 5CO. (2.22)

Брикетированная шихта її стадии содержит 84,2 % (по массе) ниобия, плотность брикетов ~3 г/см3, объем образующегося со 0,14 м3 на 1 кг шихты (~ в 2,5 раза меньше, чем в случае шихты Nb2o5 + sc). Это обеспечивает более высокую производительность вакуумной печи.

Существенное преимущество двустадийного процесса состоит также в том, что первую стадию можно проводить при атмосферном давлении в графитово-трубчатых печах сопротивления (рис. 29).

Для получения карбида ниобия (і стадии процесса) смесь - Nb2o5 с сажей брикетируют и брикеты нагревают в графито - вотрубчатой печи в атмосфере водорода или аргона при 1800-1900 °С (вдоль печи брикеты непрерывно продвигаются

Рис. 29. Схема графитово-трубчатой печи сопротивления:

1 - кожух; 2 - графитовая труба накала; 3 - экранирующая графитовая труба; 4- сажевая теплоизолирующая засыпка; 5 - холодильник; 6 - контактные графитовые конусы; 7 - охлаждаемая контактная головка; 8 - люк; 9 - шины, подводящие ток

Из расчета пребывания их в горячей зоне 1-1,5 ч). Измельченный карбид ниобия смешивают в шаровой мельнице с Nb2o5, взятой с небольшим избытком (3-5 %) против необходимого по реакции (2.22).

Шихту прессуют в заготовки под давлением 100 МПа, которые нагревают в вакуумных печах с графитовыми нагревателями (или вакуумных индукционных печах с графитовой трубой) при 1800-1900 С. Выдержка заканчивается при достижении остаточного давления 1,3-0,13 Па.

Реакции (2.21) и (2.22) являются суммарными. Они протекают через промежуточные стадии образования низших оксидов (Nt>o2 и NbO), а также карбида Nb2c. Основные реакции I стадии:

Nb2Os + С = 2Nb02 + СО; (2.23)

Nb02 + С = NbO + СО; (2.24)

2NbO + 3С = Nb2C + 2СО; (2.25)

Nb2C + С = 2NbC. (2.26)

Реакции п стадии:

Nb2Os + 2NbC = 2Nb02 + Nb2C + CO; (2.27)

Nb02 + 2NbC = NbO + Nb2C + CO; (2.28)

NbO + Nb2C = 3Nb + CO. (2.29)

Металлический ниобий получается по завершающей реакции II стадии процесса (2.29). Равновесное давление со для реакции (2.29) при 1800 °С > 1,3 Па. Следовательно, проводить процесс необходимо при остаточном давлении меньшем, чем равновесное для данной реакции (0,5- 0,13 Па).

Полученные спекшиеся пористые брикеты ниобия содержат, %: С 0,1-0,15; О 0,15-0,30; N 0,04-0,5. Для получения компактного ковкого металла брикеты плавят в электронно-лучевой печи. Другой путь состоит в получении из брикетов порошка (путем гидрирования при 450 С, измельчения и последующего дегидрирования в вакууме), прессовании штабиков и их спекании в вакууме при 2300-2350 С. В процессах вакуумной плавки и спекания в вакууме кислород и углерод удаляются в составе со, а избыточный кислород в составе летучих низших оксидов.

Основные преимущества карботермического способа - высокий прямой выход металла (не ниже 96 %) и применение дешевого восстановителя. Недостаток способа - сложность конструкций высокотемпературных вакуумных печей.

Карботермическим способом можно получать также тантал и сплавы ниобия с танталом.

Алюминатермический способ получения ниобия и тантала из высших оксидов

Разработанный в последние годы алюминометрический способ получения ниобия восстановлением пентоксида ниобия алюминием благодаря малостадийности и простоте аппаратурного оформления обладает технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими способами производства ниобия.

Способ основан на экзотермической реакции:

3Nb2Os + 10А1 = 6Nb + 5А1203; (2.30)

Доу = -925,3 + 0,1362т, кДж/моль Nb2o5.

Высокий удельный тепловой эффект реакции (2640 кДж/кг шихты стехиометрического состава) обеспечивает возможность проведения процесса без внешнего подогрева с выплавкой слитка ниобиевоалюминиевого сплава. Успешное проведение внепечного алюмотермического восстановления возможно в том случае, если температура процесса выше температуры плавления А12о3 = 2030 °С) и металлической фазы (сплав Nb +10 % ai плавится при 2050 °С). При избытке алюминия в шихте 30 - 40 % сверх стехиометрического количества температура процесса достигает ~2150-2200 С. Вследствие быстрого протекания восстановления превышение температуры примерно на 100-150 С по сравнению с температурами плавления шлаковой и металлической фаз достаточно для обеспечения их разделения. При указанном выше избытке алюминия в шихте получают сплав ниобия с 8-10 % алюминия при реальном извлечении ниобия 98-98,5 %.

Алюминотермическое восстановление проводят в стальном тигле с набивной футеровкой из прокаленных оксидов магния или алюминия. Для удобства выгрузки продуктов плавки тигель делают разъемным. Через стенки вводят контакты для подвода электрического тока (20 В, 15 А) к запалу в виде нихромовой проволоки, помещенной в шихту. Другой возможный вариант - проведение процесса в массивном разъемном медном тигле, у стенок которого образуется гарниссажный защитный слой.

Смесь тщательно высушенного Nb2o5 и алюминиевого порошка крупностью ~100 мкм загружают в тигель. Целесообразно для исключения контакта с воздухом помещать тигель в камеру, заполненную аргоном.

После включения запала реакция протекает быстро по всей массе шихты. Полученный слиток сплава дробят на куски и подвергают вакуумтермической обработке при 1800-2000 С в печи с графитовым нагревателем при остаточном давлении ~0,13 Па с целью удаления большей части алюминия (до его содержания 0,2 %). Затем проводят рафинировочную плавку в электронно-лучевой печи, получая слитки ниобия высокой чистоты с содержанием примесей, %: А1 < 0,002; С 0,005; Си < 0,0025; Fe < 0,0025; Mg, Mn, Ni, Sn < 0,001; N 0,005; О < 0,010; Si < 0,0025; Ті < < 0,005; V < 0,0025.

Принципиально возможно алюминотермическое получение тантала, однако процесс несколько сложней. Удельный тепловой эффект реакции восстановления 895 кДж/кг шихты. Вследствие высокой температуры плавления тантала и его сплавов с алюминием для выплавки слитка в шихту вводят оксид железа (из расчета получения сплава с 7-7,5 % железа и 1,5 % алюминия), а также подогревающую добавку - хлорат калия (бертолетову соль). Тигель с шихтой помещают в печь. При 925 С начинается самопроизвольная реакция. Извлечение тантала в сплав около 90 %.

После вакуумтермической обработки и электронно-лучевой плавки слитки тантала имеют высокую чистоту, сравнимую с приведенной выше для ниобия.

Получение тантала и ниобия восстановлением из их хлоридов водородом

Разработаны различные способы восстановления тантала и ниобия из их хлоридов: восстановление магнием, натрием и водородом. Наиболее перспективны некоторые варианты восстановления водородом, в частности рассмотренный ниже способ восстановления паров хлоридов на нагретых подложках с получением прутка компактного металла.

На рис. 30 приведена схема установки для получения тантала восстановлением паров ТаС15 водородом на танталовой ленте, нагретой до 1200-1400 °С. Пары ТаСІ5 в смеси с водородом поступают из испарителя в реактор, в центре которого находится танталовая ленты, нагреваемая прямым пропусканием электрического тока до заданной температуры. Для равномерного распределения паро-газовой смеси по длине ленты и обеспечения перпендикулярного к ее поверхности потока вокруг ленты установлен экран из нержавеющей стали с отверстиями. На нагретой поверхности происходит реакция:

ТаС15 + 2,5 Н2 = Та + 5 HCl; AG°m к = -512 кДж. (2.31)

Рис. 30. Схема установки для восстановления пентахлорида тантала водородом: 1 - фланец реактора; 2 - изолированный электроподвод; 3 - зажимные контакты; 4 - конденсатор для непрореагировавшего хлорида; 5 - танталовая лента; 6 - экраи с отверстиями,- 7 - корпус реактора; 8 - нагреватель реактора; 9 - обогреваемый ротаметр; 10 - игольчатый вентиль; 11 - электропечь испарителя; 12 - испаритель пентахлорида тантала; 13 - ротаметр для водорода

Оптимальные условия осаждения тантала: температура ленты 1200-1300 °С, концентрация ТаСІ5 в газовой смеси ~ 0,2моля/моль смеси. Скорость осаждения в этих условиях равна 2,5-3,6 г/(см2 ч) (или 1,5-2,1 мм/ч), Таким образом, за 24 ч получают пруток чистого тантала со средним диаметром 24-25 мм, который может быть прокатан в лист, использован для переплавки в электронно-лучевой печи или превращен в высокочистые порошки (путем гидрирования, измельчения и дегидрирования порошка). Степень превращения хлорида (прямое извлечение в покрытие) составляют 20-30 %. Непрореагировавший хлорид конденсируют и снова используют. Расход электроэнергии равен 7-15 кВт ч на 1 кг тантала в зависимости от принятого режима.

Водород после отделения паров НСІ поглощением водой может быть возвращен в процесс.

Описанным способом можно получать также прутки ниобия. Оптимальные условия осаждения ниобия: температура ленты 1000-1300 С, концентрация пентахлорида 0,1-0,2 моля/моль газовой смеси. Скорость осаждения металла равна 0,7-1,5 г/(см2-ч), степень превращения хлорида в металл 15-30%, расход электроэнергии 17-22 кВт*ч/кг металла. Процесс для ниобия ослажняется тем, что часть NbCl5 восстанавливается в объеме реактора на некотором расстоянии от накаленной ленты до нелетучего NbCl3, осаждающегося на стенках реактора.

Электролитический способ получения тантала

Тантал и ниобий нельзя выделить электролизом из водных растворов. Все разработанные процессы основаны на электролизе расплавленных сред.

В промышленной практике метод применяют для получения тантала. Так, на протяжении ряда лет электролитический метод тантала использовала фирма "Фенстил" (США), часть производимого тантала в Японии в настоящее время получают электролизом. Широкие исследования и промышленные испытания метода проведены в СССР.

Метод электролитического получения тантала подобен методу получения алюминия.

Основой электролита служит расплав солей K2TaF7 - KF - - КС1, в котором растворен оксид тантала Та205. Применение электролита, содержащего лишь одну соль - K2TaF7, практически невозможно вследствие непрерывного анодного эффекта при использовании графитового анода. Электролиз возможен в ванне, содержащей K2TaF7, КС1 и NaCl. Недостаток этого электролита - накопление в нем в процессе электролиза фтористых солей, что приводит к снижению критической плотности тока и требует корректировки состава ванны. Этот недостаток устраняется введением в электролит Та205. Результатом электролиза в этом случае является электролитическое разложение оксида тантала с выделением на катоде тантала, а на аноде кислорода, реагирующего с графитом анода с образованием С02 и СО. Кроме того, введение в солевой расплав Та205 улучшает смачивание расплавом графитового анода и повышает величину критической плотности тока.

Выбор состава электролита базируется на данных исследований тройной системы K2TaF7-KCl-KF (рис.31). В этой системе установлены две двойные соли K2TaF7 KF (или KjTaFg) и K2TaF7 КС1 (или K3TaF7Cl), две тройные эвтектики Еі и Е2, плавящиеся при 580 и 710 С соответственно, и перитектическая точка Р при 678 °С. При введении Та205 в расплав он взаимодействует с фторотанталатами с образованием оксофторотанталата:

3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2.32)

Аналогично протекает реакция с K3TaF7Cl. Образование оксофторидных комплексов тантала обусловливает растворимость Та205 в электролите. Предельная растворимость зависит от содержания K3TaF8 в расплаве и соответствует стехиометрии реакции (2.32).

На основе данных о влиянии состава электролита на показатели электролиза (критическую плотность тока, выход по току, извлечение, качество танталового порошка) советскими исследователями предложен следующий оптимальный состав электролита: 12,5 % (по массе) K2TaF7, остальное КС1 и KF в отношении 2:1 (по массе). Концентрация вводимого Ta2Os 2,5-3,5 % (по массе). В данном электролите при температурах 700-800 °С при использовании графитового анода напряжение разложения оксофторидного комплекса 1,4 В, тогда как для KF и КС1 напряжения разложения равны ~3,4 В и ~4,6 В соответственно.

КС I K2TaF,-KCl KJaFf

Рис. 31. Диаграмма плавкости системы K2TaF7-KF-KCl

При электролизе на катоде происходит ступенчатый разряд катионов Та5+:

Та5+ + 2е > Та3+ + Ъе * Та0.

Процессы на аноде можно представить реакциями: TaOF63" - Зе = TaFs + F" + 0; 20 + С = С02; С02 + С = 2СО; TaFj + 3F~ = TaF|~. Ионы TaF|~, реагируя с вводимым в расплав Ta2Os, образуют вновь ионы TaOF|~. При температурах электролиза 700-750 °С в составе газов -95 % С02, 5-7 % СО; 0,2-

Среди испытанных в СССР конструкций электролизеров лучшие результаты были получены в тех, где катодом служит тигель из никеля (или сплава никеля с хромом), в центре

Рис.32. Схема электролизера для получения тантала:

1 - бункер с питателем подачи Та205; 2 - электромагнитный вибратор питателя; 3 - кронштейн с креплением для анода; 4 - полый графитовый анод с отверстиями в стенке; 5 - тигель-катод из нихрома; 6 - крышка; 7 - теплоизолирующий стакан; 8 - штурвал для подъема авода; 9 - пробка со стержнем для подвода тока

Которого расположен полый графитовый анод с отверстиями в стенках (рис. 32). Оксид тантала подают периодически автоматическим вибропитателем в полый анод. При таком способе питания исключается механическое загрязнение катодного осадка нерастворившейся пятиокисью тантала. Газы удаляют через бортовой отсос. При температуре электролиза 700-720 С, непрерывном питании ванны Та205 (т. е. при минимальном числе анодных эффектов), катодной плотности тока 30-50 А/дм2 и отношении DjDк = 2*4 прямое извлечение тантала составляет 87-93 %, выход по току 80 %.

Электролиз ведут до заполнения катодным осадком 2/3 полезного объема тигля. По окончании электролиза анод поднимают и электролит вместе с катодным осадком охлаждают. Применяют два способа обработки катодного продукта с целью отделения электролита от частиц танталового порошка: измельчение с воздушной сепарацией и вакуум-терми - ческую очистку.

Вакуум-термический способ, разработанный в СССР, состоит в отделении основной массы солей от тантала выплавкой (вытапливанием) в атмосфере аргона с последующим удалением остатка испарением в вакууме при 900 С. Выплавленный и сконденсированный электролит возвращают на электролиз.

Та измельчением с воздушной сепарацией 30-70 мкм, а при использовании вакуум-термической обработки - 100-120 мкм.

Получение ниобия из оксифторидно-хлоридных электролитов, подобно танталу, не дало положительных разультатов вследствие того, что при разряде на катоде образуются низшие оксиды, загрязняющие металл. Выход по току низкий.

Для ниобия (а также для тантала) перспективны бескислородные электролиты. Пентахлориды ниобия и тантала растворяются в расплавленных хлоридах щелочных металлов с образованием комплексных солей A/eNbCl6 и MeTaCl6. При электролитическом разложении этих комплексов на катоде выделяются крупнокристаллические осадки ниобия и тантала, а на графитовом аноде - хлор.

Описание и свойства ниобия

Ниобий – элемент, относящийся к пятой группе периодической , атомный номер – 41. Электронная формула ниобия — Nb 4d45sl. Графическая формула ниобия — Nb — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Открыт в 1801 г. – первоначально назван “колумбием”, по названию реки, в которой был обнаружен. В дальнейшем переименован.

Ниобий – металл бело-стального оттенка, имеет пластичность – легко прокатывается в листы. Электронное строение ниобия наделяет его определёнными характеристиками. Отмечается показание большого температурного режима при плавке и точки кипения металла. За счёт этого, как особенность отмечается электронный исход электронов. Сверхпроводимость проявляется только при большой температуре. Для окисления металлу требуется минимальная температура около 300º С и выше. При этом образуется специфичный оксид ниобия Nb2O5.

Ниобий, свойства которого активно взаимодействовать с некоторыми газами. Это водород, кислород и азот, под их воздействием может поменять определённые характеристики. Чем выше температура, тем интенсивнее поглощается водород, делающий ниобий более хрупким, при достижении контрольной отметки 600º С, начинает происходить обратное выделение, и металл восстанавливает утраченные показатели. После этого начинается образование нитрида NbN, для плавления которого требуется 2300º С.

Углерод и содержащие его газы, начинают своё взаимодействие с ниобием при необходимой температуре свыше 1200º С, в результате образуется карбид NbC – t плавления — 3500º С. В результате взаимодействия кремния и бора с металлом ниобием образуется борид NbB2 – t плавления — 2900º С.

Элемент ниобий устойчив почти ко всем известным кислотам, кроме плавиковой кислоты, а особенно её смеси с азотной кислотой. Металл подвержен воздействию щелочей, особенно, горячих. При растворении в них, происходит процесс окисления, и образуется ниобиевая кислота.

Добыча и происхождение ниобия

Содержание металла на тонну заемной породы сравнительно невелико – всего 18 г на тонну. Содержание увеличено в более кислых породах. Наиболее часто в одном залеже встречаются ниобий и тантал , за счёт их близких химических свойств, которые позволяют находится им в одном минерале, и участвовать в общих процессах. Зачастую в некоторых минералах содержащих титан, происходит замещающее явление – «ниобий – титан».

Известно около ста различных минералов содержащих ниобий. Но в промышленности используются единицы. Это пирохлор, лопарит, торолит и т.д. В ультраосновных и щелочных породах ниобий встречается в перовските и эвдиалите.

Месторождения ниобия имеются в Бразилии, Австралии, Канаде, Конго, Нигерии и Руанде.

Производство ниобия довольно сложный процесс, имеющий три основных стадии. Для начала вскрывается концентрат, потом разделяются ниобий и на чистые соединения. Завершающей стадией является восстановительные процессы и рафинирование металла. Из наиболее распространенных способов можно отметить – карботермические, алюмотермические и натриетермические методы.

К примеру, смешивая оксид ниобия и сажу при высоких температурах в водородной среде получают карбид, затем смешав карбид и оксид ниобия при тех же температурах, но уже в полном вакууме получают металл, из которого в дальнейшем выплавляют различные сплавы ниобия . Не исключено получение сплавов ниобия, используя методы порошковой металлургии, с применением вакуумных и электроннолучевых способов дуговой плавки.

Применение ниобия

В связи с уникальными свойствами, ниобий находит применение во многих областях промышленности. Сплавы ниобия обладают тугоплавкостью, жаропрочностью, сверхпроводимостью, геттерными и антикоррозийными свойствами. К тому же он довольно легко обрабатывается и сваривается. Он широко применяется в космических и авиационных технологиях, радио и электротехнике, химической отрасли и атомной энергетике. В генераторных лампах многие нагревательные элементы, выполнены с его применением. Также для этих целей применяются его сплав с танталом.

Электрические выпрямители и электролитические конденсаторы тоже содержат определённое количество этого металла. Его применение в этих устройствах обусловлено характерными ему пропускными и окислительными свойствами. Конденсаторы, включающие в свой состав данный металл, при сравнительно небольших габаритах, обладают большим сопротивлением. Все элементы конденсаторов, выполняются из специальной фольги. Она прессуется из порошка ниобия.

Стойкость к воздействию различных кислот, высокая теплопроводность и податливость структуры, обуславливают его популярность в химии и металлургии, при создании различной аппаратов и конструкций. Сочетание положительных свойств этого важного металла, востребовано даже в атомной энергетике.

За счёт слабого воздействия ниобия с промышленным ураном, при сравнительно невысоких температурах (900º С), металл годен для создания защитного слоя на атомных реакторах. При такой оболочке становиться возможным применение натриевых теплоносителей, с которыми он также почти не взаимодействует. Ниобий значительно продлевает срок службы урановых элементов, создавая на их поверхности защитную окись, от пагубного влияния водяного пара.

Улучшить жаростойкие свойства некоторых , можно посредством легирования с помощью ниобия. Также довольно хорошо себя зарекомендовали сплавы из ниобия. К примеру, это сплав ниобий – цирконий , отличающийся примечательными свойствами. Из подобных сплавов изготовляются различные детали для космических аппаратов и самолётов, а также их обшивки. Рабочая температура такого сплава может доходить до 1200º С.

В состав некоторых сплавов для обработки стали имеется карбид ниобия, усиливающий свойства сплава. Сравнительно небольшая прибавка ниобия, в нержавеющую сталь, усиливает её антикоррозийные свойства и улучшает качество получаемых сварных швов. Многие инструментальные стали также имеют примесь ниобия. Как катализ его различные соединения участвуют в процессах искусственного органического синтеза.

Цена ниобия

Основной формой для продажи на мировом рынке является ниобий в слитках , но вполне возможны и другие формы хранения. В мире всегда имелся спрос на ниобий, цена которого до начала 2000 года держалась на стабильном уровне. Уверенный рост спроса, связанный с развитием экономики многих стран, и увеличением объёма производства в области инновационных технологий, металлургических и химических отраслях, способствовало резкому взлёту цен к 2007 году с 12 $ до 32 $ за килограмм метала.

В последующих годах, в связи с мировым кризисом в экономической отрасли, вплоть до 2012 года, отмечалось их некоторое падение. Темпы товарооборота соответственно снизились. Но уже к 2012 году цены снова поползли вверх, и уже тогда ниобий купить можно было только по 60 $ за килограмм, и рост пока не остановился. Уже давно стоит вопрос о равноценных, но более доступных заменителях. И они имеются, но по свойствам явно уступают ниобию. Поэтому он пока находится в цене.